“本系列將從電壓需求與隔離、電流需求與分配、功率需求與熱管理三個(gè)章節(jié)來(lái)介紹大功率 PCB 設(shè)計(jì)。”

大功率 PCB 設(shè)計(jì)不僅僅是管理電壓和電流，更是管理它們的乘積：功率，而功率最終絕大多數(shù)會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。同時(shí)，高功率開(kāi)關(guān)電路還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)。本文將探討功率設(shè)計(jì)中的場(chǎng)效應(yīng)、熱生成和材料選擇。

1. 高功率場(chǎng)效應(yīng)

高功率路徑（特別是高di/dt，即電流變化率高的路徑）會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)。這些場(chǎng)會(huì)耦合到附近的敏感電路上，如控制電路、門極驅(qū)動(dòng)（Gate Drive）信號(hào)和溫度檢測(cè)電路。在理想情況下，高功率路徑應(yīng)與其返回路徑緊密耦合（例如在相鄰層上反向布線），以使其產(chǎn)生的場(chǎng)相互抵消。

大功率 PCB 設(shè)計(jì)需要考慮的一些通用問(wèn)題，包括：

• 大功率路徑附近是否有敏感電路？

• 在您的設(shè)計(jì)中，大功率路徑是否與其回流路徑緊密耦合？

• 某些系統(tǒng)可能存在機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致無(wú)法（使路徑）緊密耦合。

• 電池的端子（或：接線柱）通常相距很遠(yuǎn)，且兩者之間幾乎沒(méi)有空間允許緊密耦合。在這種情況下，請(qǐng)確保您有策略來(lái)保護(hù)信號(hào)免受大功率能量的干擾。

• 在大功率路徑下方走信號(hào)線或電源線，會(huì)使它們面臨極大的風(fēng)險(xiǎn)，容易受到來(lái)自大功率路徑瞬態(tài)能量的干擾。對(duì)于柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)或溫度測(cè)量電路而言，這種情況是不可避免的。在這種情況下，應(yīng)保持信號(hào)（與其回流路徑）緊密耦合，并在層疊設(shè)計(jì)中使其盡可能遠(yuǎn)離大功率（路徑）。

• 信號(hào)完整性 (SI) 和電源完整性 (PI) 的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則同樣適用于大功率設(shè)計(jì)

• 隨著功率/能量等級(jí)的增加，（不良）設(shè)計(jì)所導(dǎo)致后果的嚴(yán)重程度也會(huì)隨之增加。

2. 熱量生成與管理

設(shè)計(jì)中最大的敵人是熱量。您必須準(zhǔn)確識(shí)別熱源：

• 高電流密度區(qū)域：電流“拐角”和導(dǎo)體瓶頸處。

• 大功率元件：如 FET、二極管和電阻器。

您必須了解設(shè)計(jì)的熱限制：

• 材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)

• 元件最高溫度：所有元件（包括無(wú)源元件）的最高工作溫度。

• 冷卻方式：設(shè)計(jì)是依賴自然對(duì)流（被動(dòng)冷卻）還是風(fēng)扇（主動(dòng)冷卻）？

還需要注意的一些事項(xiàng)：

• 您或許能夠手算出一些發(fā)熱量的值，但許多情況仍需要通過(guò)IR（紅外）/CFD（計(jì)算流體力學(xué)）類型的仿真來(lái)確定溫升。

• 局部的發(fā)熱區(qū)域會(huì)給 PCB層疊結(jié)構(gòu)帶來(lái)應(yīng)力。

• X/Y 軸（平面）的膨脹會(huì)受到玻璃纖維布（Glass Weave）的約束。

• Z 軸（垂直方向）將承受更大的熱膨脹。

• 在熱循環(huán)過(guò)程中，電鍍通孔(Plated Through Holes, PTH) 會(huì)產(chǎn)生疲勞，如果 Z 軸膨脹不受控制，（這些通孔）可能會(huì)失效。

3. 熱機(jī)械應(yīng)力與材料 (Tg)

當(dāng) PCB 受熱時(shí)，它會(huì)膨脹。這對(duì)可靠性有著致命的影響。

• Z 軸膨脹 (Z-Axis Expansion)：PCB在X-Y平面（水平方向）由于有玻璃纖維布的束縛，膨脹系數(shù)(CTE)較低。但在Z軸（垂直方向），CTE要高得多。

• 過(guò)孔疲勞：當(dāng) Z 軸在熱循環(huán)中反復(fù)膨脹和收縮時(shí)，會(huì)對(duì)鍍通孔（PTH）的桶壁施加巨大的應(yīng)力。這會(huì)導(dǎo)致桶壁裂紋 (Barrel Cracks)或拐角裂紋 (Corner Cracks)，最終導(dǎo)致過(guò)孔開(kāi)路。

解決方案：選擇正確的材料

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)是 PCB 基材從堅(jiān)硬的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳浀南鹉z態(tài)的溫度。

• 設(shè)計(jì)規(guī)則：必須選擇Tg 高于設(shè)計(jì)最高工作溫度的材料。當(dāng) PCB 接近其 Tg 時(shí)，它會(huì)軟化，Z 軸膨脹會(huì)急劇增加，極易導(dǎo)致分層和過(guò)孔失效。

材料對(duì)比 ：

• 不良選擇 (如標(biāo)準(zhǔn)FR-4)：

  • Tg: 135°C

  • Z軸CTE (Tg前): 70 ppm/°C

  • 總膨脹 (50-260°C):4.2%

• 更優(yōu)選擇 (如高Tg材料)：

  • Tg:200°C

  • Z軸CTE (Tg前):38 ppm/°C

  • 總膨脹 (50-260°C):2.2%

選擇低Z軸膨脹和高Tg的材料，是確保高功率PCB在熱循環(huán)下保持長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵。

4. 層疊(Stack-up) 的挑戰(zhàn)

在高功率設(shè)計(jì)中，我們希望使用厚銅（如多層2oz）來(lái)承載電流。然而，這給需要控制阻抗的信號(hào)（如差分對(duì)）帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

阻抗由走線寬度、介電常數(shù)(Dk)和介質(zhì)厚度（走線到參考平面的距離）決定。

• 問(wèn)題1：如果使用厚銅（2oz）和薄介質(zhì)（例如5mil）

  • 假設(shè)在內(nèi)層為了實(shí)現(xiàn)差分對(duì) 75Ω 或 100Ω 阻抗，計(jì)算出的走線寬度會(huì)非常細(xì)。分別為 3.237 mil 及 0.656mil。單端的更是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

  • 這種寬度在 2oz 銅上是無(wú)法制造的。

• • 如果需要在外層（頂層或底層）實(shí)現(xiàn) 50Ω 阻抗，線寬需要 7.832 mil。這對(duì)于那些 pitch 比較下的器件而言又太寬了！

• 問(wèn)題2：如果為了解決可制造性問(wèn)題（線寬太?。梢?/span>加厚介質(zhì)（例如 8 mil）或者增加差分對(duì)的間隙。

  • 比如，對(duì)于 100Ω 阻抗的差分對(duì)而言，將間隙調(diào)整為 15mil，走線寬度則可調(diào)整為 4.413 mil。但 15mil 的差分對(duì)間隙對(duì)信號(hào)完整性而言并不是一個(gè)合理的值

  • 增加介質(zhì)厚度是一個(gè)方案。但是，這會(huì)顯著增加PCB的總厚度（例如從0.089"增加到0.110"）。

• 連鎖反應(yīng)：板厚的增加會(huì)惡化鉆孔的縱橫比（Aspect Ratio）。

  • 8mil 成孔（最終孔徑），縱橫比 0.110” / 0.008” =13.75

  • 10mil 成孔（最終孔徑），縱橫比 0.110” / 0.010” =11

  • 12mil 成孔（最終孔徑），縱橫比 0.110” / 0.012” =9.17

  • 高縱橫比的孔非常難以電鍍均勻，增加了過(guò)孔失效的風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)論：大功率PCB的疊層設(shè)計(jì)充滿了權(quán)衡。您必須在載流能力（厚銅）、信號(hào)完整性（阻抗控制）、可制造性（走線寬度）和可靠性（鉆孔縱橫比）之間找到一個(gè)可接受的平衡點(diǎn)。